架空輸電線路防雷分析

馬旭東

（甘肅省電力公司嘉峪關、酒泉供電公司，甘肅 酒泉735000）

0 引言

雷電放電是雷云對大地、雷云之間或雷云內部的放電現象。在地球上，平均每天約發生800萬次雷擊。對電力系統而言，雷擊成為引起線路跳閘故障的主要原因之一，嚴重影響到輸電線路的運行安全。

1 雷電及其主要參數

1.1 雷電概述

雷電放電通道主要是線狀的，有時在云層中能見到片狀雷電，個別極為罕見的情況下會出現球狀雷電。雷云與地之間的線狀雷電可能從雷云向下開始，叫下行雷。下行雷又可分為正下行雷與負下行雷。最常見的是帶負電的雷云向下放電即線狀的負下行雷。雷云中電荷密集處的電場強度達到2 500～3 000 k V／k m時，將首先出現向下發展的放電，這種放電稱為先導放電。先導每極發展的速度約為107m／s，延續時間約為1μs，總的平均速度為（1～8）×105m／s。

雷電發生時，雷電的先導會靠近地面，對地面上相對比較突出的物體釋放電能，這種情況稱為迎面先導。雷電在這個階段一般有多個迎面先導，如果其中一個剛好與另外一個迎面先導匯合，劇烈的中和現象就會發生。中和現象產生的電流很大，可達到幾十或幾百千安。中和現象也會導致雷鳴和閃電的發生。這個過程成為雷電過程的主放電階段，主放電階段存續的時間很短，大概在50～100μs。在雷電的發展過程中，天空中會出現多個雷電中心區域。當其中一個中心區域放電結束后，其他的雷電中心也會相繼發生放電過程。所以，我們見到的雷電通常都是連續的，間隔一定的時間就會發生一次，這個時間平均在60 ms左右，一般會發生2～3次，最多的也可能達到30次以上。

1.2 雷電主要參數

1.2.1 雷電波形

人們觀測到的雷云對地放電的電流波形一般是單極性的脈沖波，也有少數的波形是負脈沖。這種脈沖波具有重復性的特點。雷云對地的放電過程一般包括3個階段：先導放電階段、主放電階段和后續放電階段。雷電流波形如圖1所示，典型的雷電流波形通常用雙指數來描述。

圖1 雷電流波形

1.2.2 主放電通道的波阻抗

在計算雷電主放電通道波阻抗的時候，要考慮到雷電放電通道電流的影響。主放電通道雷電流越大，則主放電通道的波阻抗越小。波阻抗的變化范圍一般在300～3 000Ω。在實際的雷云對地放電過程中，主放電就是通過具有一定波阻抗的先導放電通道發生。

1.2.3 重復放電次數

每一個單獨的雷云，經常由多個電荷密集區域構成。在每一次雷云的放電過程中，電荷密集區會影響到雷云放電脈沖的數量，會形成多場放電過程，這種現象被稱為重復放電。相關數據顯示，在5 000次雷電過程中，重復放電的次數一般為3～4次，也有達到40次的。重復放電的間隔時間一般在30～50 ms，最短的是15 ms，最長的可以達到700 ms。

2 架空輸電線路上的雷擊過電壓

架空輸電線路中常見的過電壓有以下2種：（1）架空線路上的感應過電壓，即雷擊發生在架空線路的附近，通過電磁感應在輸電線路上產生的過電壓；（2）直擊雷過電壓，即雷電直接打在避雷線或是導線上時產生的過電壓。雷擊輸電線路的過電壓原理如圖2所示。

圖2 雷擊輸電線路過電壓

在雷云形成的感應雷對三相交流架空輸電線路附近的大地進行放電時，在輸電線上會出現數值很大的雷擊感應過電壓。雷擊感應過電壓的產生會經歷如下幾個階段：在雷云對地放電的先導階段，空間中沿著放電通道會聚集大量的電荷，這樣在高壓輸電線上就會發生靜電感應現象。這時，輸電線上會出現與先導放電通道附近聚集的電荷極性相反的正電荷。而由于電荷的排斥作用，輸電線上的負電荷會被排斥到輸電線的另外一端。雷云放電的先導階段需要較長的時間，這個階段輸電線中的電流很小。因為電力系統中中性點的設置和泄露電阻的影響，如果不考慮額定電壓，輸電線路上的電位為0。根據上述說明可知，假設雷云先導放電通道附近的電荷電場在輸電線上感應出的電位是－U，那么輸電線上的自身電荷電場必然在輸電線上獲得＋U的電位。這樣，2部分電位大小相等，極性相反，在輸電線上的任意點上進行疊加。所以，在雷云放電的先導階段，輸電線上的電位為0。

雷云放電的主放電階段發生在雷擊大地之后，在先導階段聚集的空間電荷被釋放掉。因為先導放電階段的電荷不可能全部被瞬間釋放，輸電線上產生的感應電荷也不可能立即轉換成自由電荷。輸電線上此時的電位主要由剛被釋放的電荷所決定，大小為＋U。輸電線上電荷隨著雷電主放電的推進被逐漸釋放。此時的輸電線路上的靜電感應過電壓也要相應減小。根據電荷在輸電線上對稱流動的原理，釋放的束縛電荷會沿著輸電線向兩端運動。電荷的運動產生的電流與輸電線的波阻抗會形成感應過電壓。如果主放電過程被瞬時完成，產生的電流會很大，在輸電線路周圍會產生極強的時變電磁場，從而導致極大瞬時高壓的產生。當然因為能量很難被瞬間釋放，所以這種情況出現的可能性很小。

3 架空輸電線路的防雷措施

輸電線路防雷第一道防線是通過采用避雷線、避雷針或者將輸電線改成電力電纜的方法避免輸電線受到直擊雷的影響；第二道防線是通過提高輸電線路的抗雷擊水平或輸電線路絕緣等措施減少或消除雷電擊中輸電桿塔頂部或避雷線上是產生的閃絡現象；第三道防線是通過降低輸電線路上絕緣的工頻電場強度的方法抑制輸電線路絕緣閃絡轉化成拉弧的可能性，進而降低雷擊輸電線的跳閘率，也可以采用中性點不直接接地的方法進行削弱；第四道防線是通過環網供電方式并裝設自動重合閘的方法使電力系統供電得以持續，提高供電可靠性。

3.1 塔頂斜拉線和耦合地線防雷

如果輸電線路桿塔的機械強度能夠承受，可以在輸電線路的下方架設耦合地線，以降低輸電線路絕緣子上的電壓強度，進而增加輸電線路抗雷云放電的能力。耦合地線會使桿塔分擔雷電流的能力增強，從而可降低桿塔頂部的電位，也可減小輸電線上的感應電壓。在地形復雜的地方，還可以起到防繞擊雷的作用。

在桿塔頂部架設斜拉線的方式也可以在一定程度上提高輸電線路的防雷水平。跟耦合地線的作用相似，斜拉線也可以起到耦合和分擔雷電流的作用。在地勢平坦的地方也可以在一定程度上防雷電繞擊。

3.2 線路避雷器防雷

避雷器在實踐中應用較廣泛，其原理主要是通過避雷器本體的非線性的伏秒特性曲線防雷。在雷電沖擊到來時，避雷器被導通，雷電流和過電壓能量大部分都可以通過避雷器向大地泄放，也可以通過與輸電線路絕緣子的絕緣配合限制雷電過電壓水平，起到保護輸電線路設備的作用。

4 結語

總之，設計架空輸電線路時，應充分關注防雷保護的重要性，特別是對耐張塔和轉角塔也要專門研究、精心設計，務必使其具有較少的保護角。對于山區，因地形影響（山坡、峽谷），避雷線宜采用負保護角，或者架設耦合地線、裝設線路避雷器等。

［1］杜永平，李加存.220 k V變電站進線防雷措施的完善［J］.安徽電力，2007（4）：48～51